МАШИНОСТРОЕНИЕ

ГИДРОЦИКЛОНЫ

Гидроциклоны представляют класс вих­ревых аппаратов, предназначенных для разде­ления жидких неоднородных систем (суспен­зий, нестойких эмульсий и газосодержащих жидкостей) в поле центробежных сил. Благо­даря простоте конструкции, компактности, вы­сокой удельной производительности и надеж­ности гидроциклоны получили широкое рас­пространение в химической, нефтедобываю­щей, горнорудной, пищевой отраслях промыш­ленности, в энергетике, металлургии, а также в системах очистки промышленных и бытовых сточных вод [1, 38, 49, 74, 87 - 90]. Эти аппара­ты выгодно отличает возможность применения в непрерывных замкнутых технологических циклах и в безотходных производствах с обес­печением сравнительно высокого качества раз­деления смесей. Фактор разделения в гидроци­клонах составляет 500...2000, а в высокона­порных гидроциклонах и мультициклонах - до 5000.

Классификация гидроциклонов. По на­значению различают [74]:

Гидроциклоны-осветлители для очистки жидкостей от твердых включений;

Гидроциклоны-сгустители для сгущения суспензий до высоких концентраций (50... 90 %);

Гидроциклоны-классификаторы для жид - кофазного разделения дисперсных материалов по размерам, плотности или форме частиц;

Гидроциклоны для разделения эмульсий; гидроциклоны-дегазаторы для очистки жидкостей от растворенных и диспергирован­ных газов;

Гидроциклоны для проведения комбини­рованных процессов, сочетающих механиче­ское разделение с тепло-, массообменом, фло­тацией, химическими реакциями и др.

Кроме того, гидроциклоны классифици­руют:

По форме корпуса - гидроциклоны ци - линдроконические (рис. 3.1.53, а, в) и цилинд­рические (рис. 3.1.53, г, д);

По взаимному направлению движения выходных потоков - противоточные (рис. 3.1.53, я, г) и прямоточные (рис. 3.1.53, в, д);

По количеству выходных потоков - двух - продуктовые (рис. 3.1.53, а-д), трехпродукто - вые (рис. 3.1.53, е) и т. д.;

По способу сообщения разделяемой среде вращательного движения - напорные (рис. 3.1.53, а), низконапорные, или открытые (рис. 3.1.53, б) и роторные, или турбоциклоны (рис. 3.1.53, е).

В напорных гидроциклонах разделяемая среда поступает под избыточным давлением 0,2...0,4 МПа и выше. Вращательное движение среды создается вследствие ее тангенциального ввода в гидроциклон. Напорные гидроциклоны обычно имеют небольшие размеры и исполь­зуются для разделения тонкодисперсных сус­пензий.

В низконапорных гидроциклонах разде­ляемая среда поступает самотеком или под не­большим избыточным давлением, близким к гидростатическому. Низконапорные гидроци­клоны имеют габаритные размеры, сопостави­мые с размерами цилиндрических вертикаль­ных отстойников. Их применяют для очистки воды от грубодисперсных механических при­месей.

В турбоциклонах вращение разделяемой среды обеспечивается встроенной турбинкой.

При больших расходах разделяемой сре­ды гидроциклоны компонуют в батарейные аппараты (рис. 3.1.54). По способу компоновки
различают батарейные гидроциклоны с блоч­ной и раздельной компоновкой гидроциклон­ных модулей. Блочные батарейные гидроци­клоны, или мультициклоны более компактны (рис. 3.1.54, а), однако размещение модулей в общем блоке затрудняет их обслуживание, ре­монт и замену. Батарейные гидроциклоны с раздельной компоновкой модулей обеспечива­ют более удобное обслуживание каждого мо­дуля (рис. 3.1.54, б).

Конструктивные особенности гидро­циклонов. В традиционном цилиндрокониче - ском гидроциклоне в результате тангенциаль­ного ввода исходная смесь закручивается и через периферийную зону I движется винто­вым потоком вниз к вершине конуса 3 (рис. 3.1.55). При этом часть ее выходит через наса­док 5. Основное количество смеси образует внутренний восходящий поток II, поднимается вверх и удаляется из аппарата через сливной патрубок 3.

Обычно напорные гидроциклоны рабо­тают со свободным истечением из сливного патрубка 3 и насадка 5, поэтому во время рабо­ты через них подсасывается воздух, который вместе с газом, выделившимся из жидкости, образует вдоль оси зону разрежения III (воз­душный столб), существенно влияющую на проходное сечение разгрузочных отверстий.

Разделение фаз с различной плотностью основано на отличии в движении частиц дис­персной фазы под действием центробежных сил. Крупные тяжелые частицы отбрасываются к стенкам гидроциклона, по винтовой траекто­рии перемещаются к шламовому отверстию и выгружаются. Мелкие легкие частицы концен­трируются в восходящем потоке, с которым выносятся через патрубок 5

Условные буквенно-цифровые обозна­чения гидроциклонов. Рекомендуются пяти­значные обозначения единичных гидроцикло­нов и семизначные батарейных гидроциклонов. Первые две буквы - тип гидроциклона (табл. 3.1.11), третья буква - конструкционный мате­риал (табл. 3.1.12); цифры - основные геомет­рические характеристики аппаратов и номер модели, отражающий специфические конст­руктивные особенности гидроциклонов. На­пример, условное обозначение ТВК-40-5-01 означает: единичный аппарат с тангенциаль­ным вводом суспензии (ТВ), выполненный из коррозионно-стойкой стали (К) с внутренним диаметром цилиндрической части, равным 40 мм, и углом конусности 5°, модель 01. В маркировке батареи гидроциклонов 30-02-ТВК-40-5-01 первая цифра - число эле­ментов в батарее, вторая - модель установки, остальное - характеристика единичного эле­мента.

Телескопические гидроциклоны односто­роннего действия, футерованные каменным литьем и предназначенные для классификации измельченных рудных и нерудных материалов, сгущения, дешламации продуктов обогащения в гидрометаллургических процессах, для обо­гащения в тяжелых средах и т. д., по ТУ 4143- 002-42490774-2001 выпускает ООО НПП «ТехНОС» (г. Челябинск).

Производство гидроциклонов малого размера и батарейных мультициклонов из пла­стмассы освоено для крахмалопаточной про­мышленности. Для широкого диапазона расхо­дов, гранулометрических характеристик взве­шенных частиц и эксплуатационных условий при разделении технологических суспензий и очистке сточных вод разработаны типоразмер - ные ряды единичных и батарейных гидроци­клонов.

Для разделения суспензий с относительно слабыми агрессивными и абразивными свойст­вами разработан типоразмерный ряд высоко­эффективных и технологичных пластмассовых
гидроциклонов типа ТВП, включающий семь типоразмеров диаметром 25... 100 мм, произ­водительностью 1,5...20 м3/ч и давлением 0,3 МПа (рис. 3.1.56, табл. 3.1.13). Гидроци­клоны изготовляют литьем под давлением из полиамида ПА-6.

Для использования в более тяжелых экс­плуатационных условиях (при широком интер­вале температур и давлений, во взрыво - и по­жароопасных, агрессивных и абразивных сре­дах) создан типоразмерный ряд гидроциклонов типа ТВ, изготовляемых из легированных или углеродистых сталей (рис. 3.1.57, табл. 3.1.14). Разработанный ряд включает 12 типоразмеров диаметром 25...300 мм, с расчетной производи­тельностью 1,5...200 м3/ч, давлением 0,3 МПа.

Для обеспечения высокой пропускной способности по разделяемой супензии в соче­тании с высокой эффективностью разделения разработан типоразмерный ряд батарейных гидроциклонов на производительность от 10 до 250 м3/ч (типа БГЦ).

9 - 10358

И/

Рис. 3.1.56. Пластмассовый гидроциклон типа ТВП:

I - исходная суспензия; III - осветленная жидкость; IV-сгущенная суспензия

Батарейный гидроциклон базовой моди­фикации (рис. 3.1.58, а, табл. 3.1.15) включает центральный коллектор, состоящий из распре­делительной камеры 1 и камеры сбора очи­щенной жидкости 3, группу радиально распо­ложенных вокруг коллектора пластмассовых или металлических гидроциклонов 2 и бункер 4 сгущенной суспензии.

При наличии в разделяемой суспензии крупных твердых включений во избежание за­бивки Песковых насадков гидроциклонов ре­комендуется использовать батарейные гидро­циклоны второй модификации - с гидроцикло­ном 5 предварительной очистки (рис. 3.1.58, б, табл. 3.1.15), обеспечивающим выделение наи­более крупных частиц перед подачей суспен­зии в единичные гидроциклоны.

Расчет гидроциклонов. При расчете гидроциклонов определяют следующие рабо­чие параметры гидроциклонов типов ТВ, ТВП и БГЦ.

Пропускная способность (производи­тельность) гидроциклона

ПР2 2(Рвх~Росв)

4 У рс<;

Где d - диаметр гидроциклона; рвх, росв - избыточное давление соответственно на вхо­де в гидроциклон и в линии осветленной жидкости; рс - плотность суспензии;

\2,5"

- коэффициент

Рис. 3.1.58. Батарейные гидроциклоны типа БГЦ:

А - с центральным коллектором; б - с гидроциклоном предварительной очистки; 1 - распределительная ка­мера; 2 - гидроциклонные модули, 3 - камера сбора очищенной жидкости; 4 - бункер, 5 - гидроциклон предварительной очистки; / - исходная суспензия; ///-осветленная жидкость; IV - сгущенная суспензия

При расчете коэффициента гидравличе­ского сопротивления батарейного гидроцикло­на в составе батареи учитывают гидравли­ческие потери в коллекторе :

Для батарейных гидроциклонов типа БГЦ

С к=60.

Отношение расходов сгущенной суспен­зии Qcr и осветленной жидкости Q0CB

Гидравлического сопротивления гидроциклона; Dn - диаметр пескового отверстия, выбирается Z)n = (0,1 ...0,15)/).

Эффективность улавливания частиц раз­мером 8

(Рч-P)g52 IuD3

Где рч, р - плотность соответственно частиц и жидкости; (И - динамическая вязкость жид­кости; 8 - средний размер частиц; к - без­размерный коэффициент, зависящий от гео­метрических пропорций гидроциклона. Ниже приведены его значения.

ТВ-25...ТВ-80; ТВП-25...ТВП-50 690

Эффективность улавливания полидис­персных частиц

/=1

Где ARt - массовая доля /-й фракции частиц; п - общее число фракций; г|, - эффективность

Улавливания частиц /-й фракции, определяемая по формуле (3.1.2).

Собы гашения, осуществляемые в механиче­ских пеногасителях с роторно-статорной сис­темой механического разрушения пены (рис. ЗЛ.59).

В аппарате Охкава гашение пены осуще­ствляется за счет ударного воздействия при больших скоростях движения капель исходной жидкости, которые непрерывно сбрасываются вращающимся диском 7 и не позволяют пене подняться выше уровня диска (рис. 3.1.59, а). В большинстве таких пеногасителей газ уходит в патрубок в крышке аппарата, а жидкость после разрушения пены стекает вниз по стенке.

Аналогичным образом работает аппарат Рубина и Гольта (рис. 3.1.59, б), в котором пе- ногаситель вынесен в отдельный корпус 2, а жидкость направляется в пенный аппарат по циркуляционной трубе 3.

Другой принцип гашения пены у пенога­сителей Мюллера и Екато (рис. 3.1.59, в, г). Гашение пены в них осуществляется за счет ударного воздействия ротора /, имеющего ло­патки 4 разного конструктивного оформления.

В деструкторе Вроньского пена разруша­ется вследствие динамического контакта пер­форированного ротора 7 со слоем пены (рис. 3.1.59, д). Наличие перфорированного вра­щающегося ротора с полым валом 5 для выхо­да газа позволило решить сразу две проблемы: разрушить пену за счет достаточно большой площади поверхности перфорированного рото­ра и осушить выходящий і аз от капель жидко­сти вследствие действия центробежных сил (как в фильтрующих центрифугах).

В конструкции Хемара (рис. 3.1.59, е) разрушение пены осуществляется в тонких слоях многотарельчатого деструктора по ана­логии с тарельчатым сепаратором эмульсий. Ротор 7 состоит из целого ряда тарелок б. Пена под давлением движется по нижним тарелкам ротора, а жидкость, образующаяся вследствие разрушения пен, выбрасывается ротором из верхних тарелок.

Аналогичные конструкции пеногасителей предложены Фрингсом (рис. 3.1.59, ж) и Блон- динерингом (рис. 3.1.59, з). Они имеют вра­щающийся ротор с лопастями 7 и полый вал 8.

4

П I \| 4 1 п

В)

BZZ2ZJ —I

Ж

7

3)

Рис. 3.1.59. Схемы пеногасителей:

А - аппарат Охкава; б - аппарат Рубина и Гольта; в - аппарат Мюллера; г - аппарат Екато; д - деструктор пены

Вроньского; е - аппарат Хемара; ж - пеногаситель Фрингсома; з - пеногаситель Блондинеринга; и - деструктор пен Вогельбуша; к - деструктор пен Злокарника, 7 - ротор; 2 - выход газа; 3 - лопасти тарелки;

4 - корпус; Г — газ; Ж - жидкость; П - пена

Шнеково-лопастной ротор 1 имеет дест­руктор пен Вогельбуша (рис. 3.1.59, и). Пред­варительное разрушение пены производит шнек 9, а окончательное - осуществляется ударным воздействием лопастей 7 ротора 1.

Оригинальную конструкцию ротора име­ет деструктор пен Злокарника (рис. 3.1.59, к). Вращающийся ротор 1 имеет целый ряд полых наклонных труб 10, которые уже на входе час­тично разрушают пену. Окончательное разру­шение пены осуществляется в наклонных тру­бах под действием центробежных сил и при ударе о крышку 11 корпуса аппарата.